近年来，用于椎间盘退变及椎间盘源性下腰痛研究的定量磁共振技术包括T1ρ加权成像、T2弛豫时间成像（T2 mapping）、扩散加权成像（diffusion weighted imaging, DWI）、扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）、扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging, DKI）、磁共振波谱分析（MR spectroscopy, MRS）、高分辨率魔角旋转核磁共振（high-resolution magic angle spinning NMR, HR-MAS NMR）、化学交换饱和转移磁共振（chemical exchange saturation transfer MR, CEST MR）、钠成像磁共振（23NaMRI）、软骨延迟增强磁共振（delayedgadolinium enhanced MRI of cartilage, dGEMRIC）等。定量磁共振影像标志物与椎间盘结构、成分含量以及临床症状密切相关，具有定量测量和精确诊断的优点。
（一）T1ρ加权成像与T2弛豫时间成像T1ρ为自旋锁定射频脉冲下的横向弛豫，对组织内大分子成分敏感。Johannessen等[13]对尸体的腰椎间盘进行T1ρ成像和糖胺多糖含量的测定，发现T1ρ对糖胺聚糖的含量敏感，T1ρ值与Pfirrmann分级呈负相关。Blumenkrantz等[14]对患者腰椎进行T1ρ成像，患者椎间盘T1ρ值随椎间盘退变程度的加重而下降，研究者对患者SF-36评分及ODI评分进行分析后发现T1ρ值与临床症状密切相关（图2）。Zobel等[15]在对健康青年人进行T1ρ加权成像及常规T2成像的对比研究发现T1ρ可以作为检测椎间盘早期退变的指标。图2磁共振T1ρ加权成像，退变椎间盘的T1ρ值较正常间盘下降，呈蓝色 A 24岁研究对象，无明显退变椎间盘（椎间盘Pfirrmann分级L5S1=1，L4-5=1，L3-4=1，L2-3=1，L1-2=2） B 32岁研究对象，椎间盘呈轻度退变（Pfirrmann分级L5S1=3，L4-5=3，L3-4=2，L2-3=2，L1-2=2） C 65岁患者，椎间盘呈中重度退变（Pfirrmann分级L5S1=5，L4-5=4，L3-4=3，L2-3=3，L1-2=3）（引自Blumenkrantz G, Zuo J, Li X, et al. In vivo 3.0-tesla magnetic resonance T1rho and T2 relaxation mapping in subjects with intervertebral disc degeneration and clinical symptoms[J]. MagnReson Med, 2010, 63(5): 1193-1200. DOI: 10.1002/mrm.22362.）T2 mapping弛豫时间与水含量及糖胺多糖含量关系密切，随椎间盘退变而下降[16]（图3）。Waldenberg等[17]对25例下腰痛患者及12例对照组患者进行T2 mapping检查，发现下腰痛患者弛豫时间显著低于对照组。龚静山等[18]在对下腰痛患者椎间盘的T2 mapping值与Pfirrmann分级的相关性进行研究后认为T2 mapping有助于椎间盘退变的早期诊断。图3使用山羊为研究对象，左侧为椎间盘T2WI图像，自上而下椎间盘Pfirrmann分级分别为1级、3级和5级，右侧为相对应的T2 mapping图像，T2弛豫时间随椎间盘退变程度的增加而下降，退变椎间盘呈蓝色（引自Detiger SE, Holewijn RM, Hoogendoorn RJ, et al. MRI T2* mapping correlates with biochemistry and histology in intervertebral disc degeneration in a large animal model[J]. Eur Spine J, 2015, 24(9): 1935-1943. DOI: 10.1007/s00586-014-3498-1.）在T1ρ与T2 mapping的对比研究中，Wang等[19]发现T1ρ对纤维环的检测优于T2 mapping，两者对髓核的检测未见明显优劣。Zhang等[20]认为T1ρ与T2 mapping均可以检测椎间盘退变，尤其是在退变的早期阶段。Pandit等[21]得出相似结论，并认为T1ρ与T2 mapping指标可以作为椎间盘源性下腰痛的早期影像标志物。 （二）扩散加权成像（DWI）、扩散张量成像（DTI）及扩散峰度成像（DKI）DWI、DTI与DKI通过探测水分子的运动状态反映椎间盘微结构状态。DWI的信号来源于自由水分子的流动效应，影像学中以ADC值描述DWI的表观弥散现象。ADC值作为代表水分子弥散的影像标志物，随椎间盘退变而减少[22,23]（图4）。ADC值反映了水分子运动以及胶原纤维的完整性，有助于椎间盘早期退变的检测。组织学研究发现ADC值下降与蛋白多糖和Ⅱ型胶原的减少趋势一致[24]。Zhang等[25]发现ADC值与Pfirrmann分级呈负相关。图4 腰椎T2WI图像与DWI扫描后得到ADC图像，随着椎间盘退变，ADC值下降，退变椎间盘呈蓝色（引自Yu HJ, Bahri S, Gardner V, et al. In vivo quantification of lumbar disc degeneration: assessment of ADC value using a degenerative scoring system based on Pfirrmann framework[J]. Eur Spine J, 2015, 24(11): 2442-2448. DOI: 10.1007/s00586-014-3721-0.）然而DWI无法探测水分子扩散的各向异性，DTI是在DWI基础上施加6个以上非线性方向扩散敏感梯度场，以获得各个方向的扩散张量。DTI在脊柱疾病研究中多用于对神经根的检查。在椎间盘相关研究中，各向异性分数（FA）可作为DTI对椎间盘组织进行检测的影像标志物[26]，FA值与椎间盘组织抗压能力、胶原纤维排列的紧密程度等相关。当椎间盘发生退变，椎间盘结构的完整性受到破坏时，FA值升高[27,28]。Paul等[29]通过对注射软骨素酶ABC所致轻度退变的山羊腰椎间盘行T2WI成像、T1ρ成像及DTI成像的对比，发现在椎间盘组织学轻度改变时蛋白多糖减少而水含量无明显变化，三者均可检测到基质成分的变化。 作为DTI技术的延伸，DKI引入峰度概念以减小水分子的实际扩散与理想的高斯分布模型的偏差，以便更真实地反映椎间盘的微结构，弥补DWI及DTI的不足。Li等[30]使用DKI技术检测慢性下腰痛人群及非下腰痛人群腰椎间盘，发现慢性下腰痛人群椎间盘髓核FA值低于非下腰痛人群，并认为DKI是诊断慢性下腰痛的良好方法。曾菲菲等[31]使用DKI对椎间盘进行检测后发现髓核部位平均扩散峰度（MK）与椎间盘退变分级呈正相关，而平均扩散系数值（MD）与椎间盘退变分级呈负相关。 （三）核磁共振波谱分析（MRS）与高分辨魔角旋转核磁共振（HR-MAS NMR）MRS利用核磁共振现象和化学位移等物理原理，可对1H、13C等特定原子核或化合物进行定量分析；而通过魔角旋转，核磁共振的分辨率得到极大提高，灵敏度也获得增强。MRS以及HR-MAS NMR可以无创获得椎间盘组织乳酸、蛋白多糖等成分的波谱信息。 Zuo等[32]使用MRS检测下腰痛患者椎间盘中水和蛋白多糖的含量，发现水和蛋白多糖在椎间盘造影阳性间盘中的含量减少，而水与蛋白多糖（proteoglycan, PG）比值升高，且与SF-36评分下降及ODI评分升高有关。Gornet等[33]通过分析下腰痛患者椎间盘造影阳性与阴性间盘乳酸、丙氨酸、胶原及蛋白多糖等成分对应波谱区域的波峰特征（图5），制作了MRS评分，可准确定位椎间盘源性下腰痛的责任节段，提高了术后疗效。Siddall等[34]将下腰痛与相应的大脑功能区域物质变化相联系，通过测量下腰痛患者及无疼痛人群颅脑不同部位胆碱、肌醇、谷氨酸盐等物质的波谱信息，发现MRS可以准确检测与下腰痛相关联的大脑区域的物质变化，为临床诊断提供新的思路。图5 采用MRS技术得到的椎间盘内乳酸（LA）、蛋白多糖（PG）、丙氨酸（AL）、碳水化合物/胶原（CA）、丙酸盐（PA）等物质的波谱信息（引自Gornet MG, Peacock J, Claude J, et al. Magnetic resonance spectroscopy (MRS) can identify painful lumbar discs and may facilitate improved clinical outcomes of lumbar surgeries for discogenic pain[J]. Eur Spine J, 2019, 28(4): 674-687. DOI:10.1007/s00586-018-05873-3.）Keshari等[35]使用HR-MAS NMR获得人体腰椎间盘中脯氨酸、甘氨酸、N-乙酰基的波峰高度，由公式换算为相应浓度，发现随着椎间盘退变，纤维环中脯氨酸、甘氨酸含量上升，认为两者变化与胶原纤维的破坏有关；而髓核中N-乙酰基（代表蛋白多糖）含量下降。随后Keshari等[36]又对椎间盘源性腰痛患者及脊柱侧凸患者（对照组）椎间盘中乳酸、N-乙酰基及胶原纤维降解相关代谢物的含量进行测定，发现PG/collagen值、PG/lactate值在下腰痛患者组降低而lactate/collagen值升高（图6）。Radek等[37]同时检测椎间盘内多种代谢物质的含量，结果发现肌醇、异亮氨酸、缬氨酸、α，β-葡萄糖等在Pfirrmann 4级和5级椎间盘中的含量高于Pfirrmann 3级的椎间盘，而N-乙酰基随退变加重而减少。图6使用HR-MASNMR对脊柱侧弯患者（A）、椎间盘源性腰痛患者（B）的椎间盘组织进行谱线分析。Col为胶原纤维降解物质的波峰，PG为蛋白多糖的N-乙酰峰，lactate为乳酸峰。脊柱侧凸患者椎间盘标本的谱线特征接近正常间盘，椎间盘源性腰痛患者的退变间盘与脊柱侧凸患者的间盘相比，lactate峰较高，PG峰较低，而代表胶原纤维降解产物的col区域出现更多的峰（引自Keshari KR, Lotz JC, Link TM, et al. Lactic acid and proteoglycans as metabolic markers for discogenic back pain[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2008, 33(3): 312-317. DOI: 10.1097/BRS.0b013e31816201c3.）通过MRS和HR-MAS NMR对特定代谢物质含量的测量以及代谢物质比值的分析，可以获得并发现更多椎间盘退变的标志物，对组织内代谢成分的无创获取方式使其在椎间盘相关研究中拥有独特的价值。 （四）化学交换饱和转移磁共振（CEST MR）CEST MR主要用于探测蛋白质、糖胺聚糖、糖原等生物大分子信息。该技术的基本原理基于两池模型，通过对可交换池施加脉冲，使其中氢质子饱和后与自由水池中的氢质子进行化学交换，测定水分子的信号变化，以间接获得大分子的信息。CEST MR在进行成像时可以引入外源性对比剂，如反磁性和顺磁性CEST对比剂，CEST同样可以利用人体大分子物质作为天然对比剂。CEST效应可由非对称性磁化转移率（MTRasym）来度量。目前，在椎间盘退变及下腰疼的研究中，CEST MR主要利用内源性大分子糖胺多糖的化学交换饱和转移（gag CEST）测量糖胺多糖含量。 Muller-Lutz等[38]发现腰椎间盘MTRasym值随志愿者年龄的增加和糖胺多糖含量下降而减小。Schleich等[39]发现MTRasym与Pfirrmann分级呈负相关，且腰椎间盘突出组的MTRasym值低于正常组。Deng等[40]亦得出相似结论。Wada等[41]在研究不同严重程度下腰痛患者时得出结论，在严重疼痛患者组MTRasym值低于轻度及中度疼痛组。 随着对CEST MR的深入研究，多数学者发现化学交换效应呈现对pH值的高度依赖性，因此CEST MR也可用于测定椎间盘的酸碱度。Melkus等[42]发现gag CEST的MTRasym随椎间盘内pH值变化，实验同时引入外源性对比剂碘普罗胺（Iopromide），发现Iopromide CEST对pH值的测量独立于糖胺多糖含量。除MTRasym值外，Zhou等[43]还发现椎间盘中糖胺多糖氢质子与水中氢质子的交换率Ksw与pH值密切相关，具有无创测量下腰痛患者椎间盘pH值的应用前景。 （五）钠成像磁共振（23NaMRI）蛋白多糖侧链为含有大量负电荷的糖胺聚糖，可以吸引阳离子钠。糖胺多糖的含量与23Na浓度密切相关，23Na核磁共振可以通过对23Na浓度的测量推断椎间盘组织糖胺多糖的含量，具有探测椎间盘早期退变的能力。 Wang等[44]发现下腰痛患者椎间盘23Na含量低于无下腰痛患者（图7）。之后Haneder等[45]开展的一项含有更大样本量的研究得出相同结论。Moon等[46]对比23Na MRI与T2 mapping对椎间盘退变的检测效果，发现23Na MRI对于椎间盘针刺退变模型术后第12周的信号改变程度大于T2 mapping，两者反映不同影像学特征，可以共同评估椎间盘退变。图7采用钠成像磁共振对椎间盘进行成像后得到连续轴向层面的图像。髓核部位的钠浓度较高，而纤维环部位的钠浓度较低（引自Wang C, McArdle E, Fenty M, et al. Validation of sodium magnetic resonance imaging of intervertebral disc[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2010, 35(5): 505-510. DOI: 10.1097/BRS. 0b013e3181b32d3b.）（六）软骨延迟增强磁共振（dGEMRIC）dGEMRIC是在注入造影剂前后进行扫描，造影剂进入椎间盘组织的量与带负电荷的糖胺多糖的含量呈反比，蛋白聚糖的减少导致超顺磁性钆造影剂的聚集。通过造影后与造影前T1弛豫时间的差值△T1，可以反映糖胺多糖的含量。目前，关于dGEMRIC的研究与应用主要集中在关节软骨，dGEMRIC在腰椎间盘退变及下腰痛中的研究进展较少。 Vaga等[47]发现相比较正常椎间盘，△T1值在退变椎间盘中增加，△T1值与糖胺多糖的含量呈负相关（图8）。该团队在随后的研究中认为dGEMRIC可在Pfirrmann退变分级未发生改变时检测到椎间盘的退变[48]。图8 软骨延迟增强磁共振图像，在椎间盘糖胺多糖含量较少的区域，△T1值较高，呈红色 A 腰椎T2WI图像，L5S1椎间盘突出 B L5S1椎间盘经过软骨延迟增强磁共振扫描处理后得到的△T1值图像，△T1值与椎间盘糖胺多糖的含量呈负相关（引自Vaga S, Raimondi MT, Caiani EG, et al. Quantitative assessment of intervertebral disc glycosaminoglycan distribution by gadolinium-enhanced MRI in orthopedic patients[J]. MagnReson Med, 2008, 59(1): 85-95. DOI: 10.1002/mrm.21433.）（七）其他磁共振影像标志物Pang等[49]认为超短回波时间磁共振成像（UTE MRI）影像学标志物UDS与椎间盘退变及下腰痛密切相关。而Chetoui等[50]将质子密度加权MRI（proton density-weighted MRI）与有限元分析相结合用以测量不同力学情况下体内椎间盘水含量的变化，以此发现椎间盘退变的早期变化。这些基于磁共振的新技术及新应用为椎间盘源性下腰痛的检测和诊断提供了全新思路，等待研究人员的进一步探索和发现。 定量磁共振成像相比传统MRI可测量或推测椎间盘内水、蛋白多糖、乳酸、钠、氨基酸等多种成分的含量，同时可以获得椎间盘微环境的酸碱度、微结构的完整程度等信息。乳酸及蛋白多糖等多种代谢物质的波谱信息、T1ρ值、T2 mapping弛豫时间、ADC值、FA值、MTRasym值、交换率Ksw、△T1值等作为定量磁共振影像标志物，为椎间盘退变的早期改变及椎间盘源性下腰痛提供更加准确而全面的信息。各种定量磁共振技术在拥有优势的同时也存在低信噪比、需要特殊设备、增加扫描时间等问题。优化磁共振序列和相关设备、普及定量磁共振技术、进一步研究磁共振影像标志物的代表意义是研究者们应关注的问题。同时，研究人员及临床医生应充分了解各类定量磁共振技术的优点与缺点，有针对性地选择适用人群，才能充分发挥定量磁共振的价值。随着不断发展，定量磁共振技术可为无创探测椎间盘早期退变及提升椎间盘源性下腰痛的诊疗水平做出贡献。
